DE2743411B2 - Steuerschaltung zum schrittweisen Betreiben eines kollektorlosen Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung zum schrittweisen Betreiben eines kollektorlosen Gleichstrommotors, dessen Ständer mehrere, im Stern geschaltete Wicklungsstränge aufweist und dessen Rotor ein Rotorstellungsgeber zugeordnet ist, bei der ein von dem Rotorstellungsgeber beeinflußter Zwischenspeicher vorgesehen ist, in Abhängigkeit von dessen durch Schaltimpulse bestimmten und bis zum Eintreffen eines neuen Schrittimpulses aufrechterhaltenen Zustand durch als elektronischer Kommutator dienende steuerbare Schalter, die in Reihe zu den Wicklungssträngen zwischen den Polen einer Gleichstromquelle angeordnet sind, der Erregungszustand der Wicklungen bestimmt ist.

Eine solche Steuerschaltung ist aus der DE-OS 19 442 bekannt. Auch hierbei sind vier räumlich um 90° versetzt angeordnete Wicklungsstränge in Sternschaltung vorgesehen. Die Wicklungsstränge liegen in Reihe mit jeweils einem als steuerbarer Schalter dienenden Schalttransistor. Die Schaittransistoren sind derart angesteuert, daß ein Dauermagnetrotor schrittweise umläuft Dabei sind die Schaittransistoren von jeweils zwei räumlich um 180° gegeneinander versetzten Wicklungssträngen zu je einer bistabilen Kippstufe zusammengefaßt, wobei dem Takteingang beider Kippstufen die Schrittimpulse parallel zugeführt sind. Die Kippstufen ändern alternierend nach jedem Schrittimpuls ihren Zustand. Hierbei sind also jeweils zwei benachbarte Wicklungsstränge stromführend, so daß die stabilen Ruhelagen des Rotors jeweils zwischen den beiden bestromten Wicklungssträngen liegen. Da es nach einem Spannungsausfall nach Wiederkehr der Versorgungsspannung zu einer durch den Zufall diktierten, nicht mit der Rotorstellung korrelierten Lage der Kippstufen kommt, können hierbei Schrittimpulse verloren gehen. Um diesen Fehler auszuschließen, ist ein aus magnetfeldabhängigen Widerständen bestehender Rotorstellungsgeber vorgesehen, der auf die den Zwischenspeicher bildenden Kippstufen derart einwirkt, d?.ß sie nach einem Spannungsausfall bei Wiederkehr der Versorgungsspannung ihre vorherige Lage wieder einnehmen. Da bei dieser bekannten Steuerschaltung für die stabile Ruhelage des Rotors immer zwei Wicklungsstränge bestromt sein müssen, wird dsr Wirkungsgrad verschlechtert. Darüberhinaus wird sich bei einem Spannungsausfall der Rotor unter der Wirkung des vorhandenen Dauermagnetfeldes auf einen der benachbarten Wicklungsstränge hinbewegen, so daß er in diesem Fall seine vorbestimmte Stellung verläßt. Ferner ist bei diesem Motor wegen seiner Fremdtaktung eine hinreichend langsame Vorgabe der Schrittimpulse erforderlich, da diese anderenfalls verlorengehen können.

Darüberhinaus ist aus der DE-OS 16 13 083 ein schrittweise betreibbarer kommutatorloser Gleichstrommotor bekannt, bei dem die Polzahl des Ständers ein Mehrfaches der Polzahl des Rotors beträgt, wobei der Ständer diesem Mehrfachen entsprechend mehrere gemeinsam und getrennt voneinander in beiden Stromrichtungen erregbare, über den ganzen Umfang verteilte und gleichmäßig miteinander verschachtelte Wicklungsgruppen aufweist, in denen Pole wechselnder Polarität aufeinanderfolgen. Dieser eigenartig aufgebaute Gleichstrommotor wird — wie uus der eingangs erwähnten DE-OS 19 19 442 bekannt - ebenfalls fremdgetaktet betrieben. Bei Eingang eines Schrittimpuises wird über mehrere zusammenwirkende Zwischenspeicher zunächst die Bestromung des im gewünschten Drehsinn folgenden Wicklungsstranges zusätzlich zu dem bereits stromdurchflossenen Wicklungstrang vorgenommen, so daß der Rotor in einem ersten Halbschritt in eine Zwischenlage zwischen den bestromten Wicklungssträngen einläuft, worauf durch Einwirkung einer Verzögerungsschaltung zur Durchführung des zweiten Halbschrittes der ursprünglich bestromte Wicklungsstrang abgeschaltet wird. Ein Rotorstellungsgeber ist nicht vorgesehen. Abgesehen von der sehr aufwendigen Elektronik ist durch die zeitweilig gleichzeitige Bestromung von benachbarten Wicklungssträngen kein optimaler Wirkungsgrad erreichbar. Darüberhinaus können wegen der Fremdtaktung sehr leicht Schrittimpulse verloren gehen.

Ferner ist aus der DE-AS 15 38 832 ein Antriebssystem mit einem mit bifilaren Wicklungen ausgeführten Synchron-Induktionsschrittmotor bekannt. Hierbei ist

ein Rotorstellungsgeber vorgesehen, dessen Ausgangssignale den Eingängen von vier als Zwischenspeicher dienenden bistabilen Kippstufen zugeführt sind. In Abhängigkeit von vier verschiedenen Eingangskommandos bestimmt eine nachgeordnete Auswahlschaltung durch Bestromung geeigneter Wicklungskombinationen, ob sich der Rotor im Schnellgang bewegt oder ob er in seiner gegenwärtigen Lage gehalten wird, bzw. ob er sich um einen Schritt nach links oder nach rechts bewegen soll. In der Betriebsart »Schneligang« wird gleichzeitig eine Wicklungskombination zweiphasig so erregt, daß das resultierende Magnetfeld etwa zwei Schritte vor der augenblicklichen Winkelstellung des Rotors in Drehrichtung entfernt ist bzw. voreilt. Diese zweiphasige Wicklungserregung nach einem Einzelschritt ist einschaltbar, wenn die geförderte Drehstrecke für eine Drehrichtung des Rotors mindestens gleich oder größer als zwei Einzelschritte ist. Da auch hierbei nach Erreichen der Ruhelage des Rotor-, die beiden benachbarten Wicklungen erregt sein müssen, um den Rotor magnetisch festzuhalten, arbeitet auch dieser Schrittmotor nicht mit optimalen Wirkungsgrad. Darüberhinaus bewegt sich der Rotor auch bei Ausfall der Spannungsversorgung unter der Wirkung des vorhandenen Dauermagnetfeldes in unerwünschter Weise zu einem der nächsten Starterpole weiter. Zudem ist vor dem Schnellgang jeweils mindestens ein Einzelschritt erforderlich, wodurch die Betriebsgeschwindigkeit des Schrittmotors beeinträchtigt ist. Darüberhinaus ist es mit dieser auf den Schrittmotor abgestimmten Steuerschaltung nicht möglich, einen beliebigen kollektorlosen Gleichstrommotor als Schrittmotor zu verwenden. Es ist vielmehr erforderlich, einen aufwendig aufgebauten Schrittmotor mit einer ebenfalls aufwendigen Steuerschaltung zu kombinieren.

Aus der DE-AS 16 13 172 ist ferner eine verbesserte Steuerschaltung zum Betrieb des aus der vorerwähnten DE-AS 15 38 822 bekannten Antriebssystemes bekannt, durch die der Schrittmotor im Mehrschrittbetrieb im Schnellgang in beiden Drehrichtungen in einem ersten 4n Geschwindigkeitsbereich vom Anlauf bis zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit und darüber in einem zweiten Geschwindigkeitsbereich bei einer höheren Geschwindigkeit betrieben werden kann. Außerdem wird die Bremsung des Rotors an die Geschwindigkeit « des Rotors angepaßt, so daß sich eine möglichst kurze Verzögerungszeit ergibt und der Rotor ohne Pendelbewegungen in sej'ne Zielstellung gelangt. Dabei ist dem Rotor ein als Schrittdiskriminator bezeichneter Rotorstellungsgeber zugeordnet. Die Ausgangssignale dieses Rotorstellungsgebers sind einem Letztschrittspeicher zugeführt, der diese Ausgangssignale solange speichert, bis sie nach dem nächsten beendeten Rotorschritt durch die neuen Ausgangssignale des Rotorstellungsgebers ersetzt werden. Die Ausgangssignale des Letztschritt-Speichers sind einer Umsetzerschaltung zugeführt, die aus einer Kombination von Und- und Oder-Schaltungen besteht, und die aus den Ausgangssignalen des Letztschrittspeichers und weiteren Kommandosignalen, durch die Betriebsart und Drehsinn festgelegt sind, die fco geeignete Bestromung der Wicklungsstränge des Schrittmotors ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit einfachen Mitteln ein hoher b5 Wirkungsgrad und eine einwandfreie Ausführung und Beibehaltung der vorgegebenen Schrittstellung erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausgangssignale des Rotorstellungsgebers zur Erzeugung der rotorstellungsabhängigen Kommutierungssignale für den elektronischen Kommutator einer Auswahlschaltung zugeführt sind, daß der Zwischenspeicher der Auswahlschaltung nachgeschaltet ist und bei jedem an seinem Takteingang eingehenden Schrittimpuls die eingangsseitig anstehenden Kommutierungssignale der Auswahlschaltung an seine Ausgänge und damit an den elektronischen Kommutator durchschaltet, daß ein elektronisches Bauelement zur Ableitung eines Schrittimpulses bei jedem Wechsel der Kommutierungssignale vorgesehen ist, daß der Schrittimpuls einerseits einem die Anzahl der auszuführenden Winkeiichritte vorgebenden Vorwahlzähler und andererseits über ein Und-Gatter dem Takteingang des Zwischenspeichers zugeführt ist, wobei der zweite Eingang des Und-Gatters mit dem Ausgang des Vorwahlzählers verbunden ist.

Damit kann jeder kollektorlose Gleichstrommotor, der an sich für kontinuierlichen Betrieb gebaut ist, mit geringfügigen Aufwand als Schrittmotor betrieben werden. Die Auswahlschaltung liefert hierbei die rotorstellungsabhängigen Kommutierungssignale für die Betätigung der die Wicklungsstränge einschaltenden steuerbarer. .Schalter. Damit wird ein solcher Gleichstrommotor an sich prinzipiell eigengetaktet, d. h. der für die Bildung des Drehfeldes jeweils nächstfolgende Wicklungsstrang wird nur dann bestromt, wenn die vom Rotorstellungsgeber erfaßte Stellung des Rotors hinreichend weit fortgeschritten ist. Durch das Vorsehen des Zwischenspeichers, der der Auswahlschaltung nachgeschaltet ist und der in Abhängigkeit von dem die Schrittzahl bestimmenden Vorwahlzählers und dem Wechsel der Kommutierungssignale der Auswahlschaltung getaktet ist, kann mit einfachen Mitteln somit ein zuverlässiger Schrittmotorbetrieb erreicht werden, der mit Sicherheit ausschließt, daß Schrittimpulse verloren gehen. Darüberhinaus ist es nicht mehr erforderlich, die Ruhelagen des Rotors zwischen zwei Wickiungssträngen vorzusehen. Vielmehr können als Ruhelagen die Stellungen gewählt werden, die einem direkten Gegenüberstehen von Rotorpolen und durch die Wicklungsstränge vorgegebenen Statorpolen entsprechen. Damit ist ein hoher Wirkungsgrad sowie das Beibehalten einer stabilen Ruhelage auch im Falle eines Spannungsausfalles erreicht.

In einer einfachen und kostengünstigen Ausführungsform ist das elektronische Bauelement zur Ableitung eines Schrittimpulses als Oder-Gatter ausgeführt, dessen Eingänge mit den Ausgängen der Auswahlschaltung verbunden sind.

Um den Anlauf des Gleichstrommotors einzuleiten, ist es vorteilhaft, wenn dem Takteingang des Zwischenspeichers über ein Oder-Gatter unmittelbar ein Startimpuls zuführbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

F i g. 1 zeigt die prinzipielle Schaltung eines kollektorlosen Gleichstrommotors und

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung für e'en Schrittbetrieb.

Wie Fig. 1 zeigt, ist als Ausführungsbeispiel ein kollektorloser Gleichstrommotor gewählt, der vier Wicklungsstränge Wi, W2, W3 und W4 aufweist, die mit ihrem einen Ende zu einem Sternpunkt zusammengefaßt sind, der am Pluspol liegt. Die freien Enden der

Wicklungsstränge stehen über steuerbare Schalter S 1 bis 54 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle in Verbindung. Die Schalter 51 bis 54 sind selbstverständlich als kontaktlose Schaltelement ausgebildet. Mit R ist ein Rotor bezeichnet, dessen Nord-Süd-Richtung durch einen Pfeil 1 deutlich gekennzeichnet ist. Mit H 1 und H 2 sind zwei Rotorstellungsgeber bezeichnet, die im vorliegenden Falle vom Rotor R beeinflußbar sind. Die Kommutierung soll nun so erfolgen, daß der Rotor R entgegen dem Uhrzeiger-Drehsinn umlaufen soll. Der Kommutierungswinkel beträgt hierbei 45°, 135°, 225°, 315". Beispielsweise wird der Wicklungsstrang WZ bestromt, wenn sich der Rotor im Winkelbereich von 45°-135° bewegt.

Anschließend wird der Wicklungsstrang IV 4 bestromt, und zwar wenn sich der Rotor im Winkelbereich von 135°—225° bewegt. Als nächstes wird der Wicklungsstrang Wl bestromt. Der Rotor Rdreht sich dann von 225° bis 315°. Wird der Wicklungsstrang W2 bestromt, so bewegt sich der Rotor R von 315° bis 45°. Die Kommutierungssignale eilen hierbei der jeweiligen Rotorstellung um 135° vor, so daß ein zwangsweiser Umlauf des Rotors stattfindet. Ein Gleichstrommotor dieser Art ist beispielsweise in der Zeitschrift Industrie-Elektrik + Elektronik, 19 Jg„ 1974, Nr. 19, Seiten 405 bis 410 näher beschrieben.

Wie zuvor ausgeführt worden ist, wird der Wicklungsstrang W2 bestromt, wenn sich der Rotor im Winkelbereich von 315°—45° bewegt. Wird nun dieser augenblickliche Zustand der Kommutierungssignale beibehalten, so stellt sich der Rotor R in Richtung der bestromten Wicklung W2. Zu diesem Zeitpunkt steht aber bereits ein neues Kommutierungssignal an, demzufolge der Wicklungsslrang W3 eingeschaltet würde. Um dies zu verhindern, ist gemäß der Erfindung ein Zwischenspeicher 2 vorgesehen, der das Kommutierungssignal für den Wicklungsstrang W2 so lange speichert, bis durch den nächsten Schrittimpuls das bereits anstehende Kommutierungssignal freigegeben wird.

Eine entsprechende Schaltung ist in Fig.2 dargestellt. Hierbei ist mit 3 ein Rotorstellungsgeber bezeichnet, der im wesentlichen aus den beiden Hallgeneratoren Hi und Hl besteht, die von dem Rotor R unmittelbar beeinflußt sein können. Mit 4 ist ein Verstärker bezeichnet, der die Signale der beiden Hallgeneratoren Wl und H2 entsprechend verstärkt. Die verstärkten Signale 4 werden der Auswahlschaltung 5 zugeführt, die die rotorstellungsabhängige Ansteuerung der Schalter 51 bis 54 bestimmt. Die Ausgänge der Auswahlschaltung 5 stehen mit den Eingängen des Zwischenspeichers 2 in Verbindung. Die Eingangssignale des Zwischenspeichers 2 können durch einer Schrittimpuls an die Ausgänge geschaltet und damil dem Kommutator 7 zur Verfugung gestellt werden

^r> Dieser Zustand wird solange beibehalten, bis an dem Takteingang des Zwischenspeichers 2 das nächste Steuersignal eintrifft. Ist also durch ein Kommutierungssignal der Auswahlschaltung 5 der Wicklungsstrang W2 bestromt worden, so stellt sich der Rotor 6 in Richtung

κι dieses Wicklungsstranges, wobei dieser Zustand so lange aufrechterhalten bleibt, bis der Zwischenspeicher erneut einen Schrittimpuls erhält. Die Auswahlschaltung 5 hat aber entsprechend der Rotorstellung bereits die Bestromung des Wicklungsstranges W3 ausgewählt Dieses Kommutierungssignal wird durchgeschaltet, sobald der Zwischenspeicher 2 einen Schrittimpuls erhält. Durch wiederholtes Aufsteuern des Zwischenspeichers 2 kann eine kontinuierliche Rotorbewegung erreicht werden.

Bei jedem Wechsel der Kommutierungssignale 51 bis 54 wird ein Schrittimpuls abgeleitet und über ein als Oder-Gatter 8 ausgeführtes elektronisches Bauelement einem externen Vorwahlzähler 9 zugeführt. Die Schrittimpulse können aber auch unmittelbar dem

2> Takteingang des Zwischenspeichers 2 zugeführt werden, so daß dann eine schrittweise Bewegung des Rotors R eintritt. Um einen solchen Motor zur Positionierung verwenden zu können, ist der externe Vorwahlzähler 9 vorgesehen, der die Anzahl der auszuführenden

jo Winkelschritte bestimmt. Die Schrittimpulse werden daher über ein Und-Gatter 10 und ein Oder-Gatter 11 auf den Takteingang des Zwischenspeichers 2 gegeben. Über eine Leitung 12 wird vom Vorwahlzähler 9 ein Signal an das Und-Gatler 10 gegeben, so lange die

J5 vorgegebene Position noch nicht erreicht worden ist. So lange also die vorgegebene Anzahl der Winkelschritte nicht erreicht ist, schaltet jeder Schrittimpuls kurzzeitig den Zwischenspeicher 2 ein. Damit erscheint das neue Kommutierungssignal an den Ausgängen des Zwischen-Speichers 2 und damit an dem Kommutator 7. Der Motor dreht sich bei jedem Schrittimpuls um jeweils einen Winkelschritt weiter.

Über eine Leitung 13 kann über das Oder-Gatter 11 dem Eingang des Zwischenspeichers 2 ein Startimpuls gegeben werden. Die in F i g. 2 dargestellte schrittweise Steuerung von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren ist vom Aufbau und Art des Motors völlig unabhängig. Auch die Anzahl der zu kommutierenden Wicklungsstränge spielt keine Rolle, genauso wie die Art der Rotorstellungsgeber.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerschaltung zum schrittweisen Betreiben eines kollektorlosen Gleichstrommotors, dessen Ständer mehrere, im Stern geschaltete Wicklungsstränge aufweist und dessen Rotor ein Rotorstellungsgeber zugeordnet ist, bei der ein von dem Rotorstellungsgeber beeinflußter Zwischenspeicher vorgesehen ist, in Abhängigkeit von dessen durch Schaltimpulse bestimmten und bis zum Eintreffen eines neuen Schrittimpulses aufrechterhaltenen Zustand durch als elektronischer Kommutator dienende steuerbare Schalter, die in Reihe zu den Wicklungssträngen zwischen den Polen einer Gleichstromquelle angeordnet sind, der Erregungszustand der Wicklungen bestimmt ist, dadurch g.jkennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Rotorstellungsgeber (Hi, H2) zur Erzeugung der rotorstellungsabhängigen Kommutierungssi- x> gnale für den elektronischen Kommutator (7) einer Auswahlschaltung (5) zugeführt sind, daß der Zwischenspeicher (2) der Auswahlschaltung (5) nachgeschaltet ist und bei jedem an seinem Takteingang eingehenden Schrittimpuls die eingangsseitig anstehenden Kommutierungssignale der Auswahlschaltung (S) an seine Ausgänge und damit an den elektronischen Kommutator (7) durchschaltet, daß ein elektronisches Bauelement (8) zur Ableitung eines Schrittimpulses bei jedem Wechsel der so Kommutierungssignale vorgesehen ist, daß der Schrittimpuls einerseits einem die Anzahl der auszuführenden Winkelschritte vorgebenden Vorwahlzähler (9) und andererseits über ein UND-Gatter (10) dem Takteingang des Zwischenspeichers (2) » zugeführt ist, wobei der zweite Eingang des UND-Gatters (10) mit dem Ausgang des Vorwahlzählers (9) verbunden ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement (8) zur Ableitung eines Schrittimpulses als ODER-Gatter ausgeführt ist, dessen Eingänge mit den Ausgängen der Auswahlschaltung (5) verbunden sind.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Takteingang des « Zwischenspeichers (2) über ein ODER-Gatter (11) unmittelbar ein Startimpuls zuführbar ist.